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JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
Núria M. Pinyol CIMNE - UPC
Madrid 25 de Noviembre de 2019
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
PRESA SAN LUIS, CALIFORNIA
Rotura: Septiembre, 1981
±100 m de altura
70 millones m3 de volumen
Altura de desembalse: 55 m (el de mayor magnitud)
Velocidad de desembalse: 0.4 m/día
Núcleo
arcilloso
Escollera Nivel embalse
durante la rotura
Superficie de rotura
Arcilla dura
Todo uno
Laurence Von Thun, 1985
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
Análisis del
desembalse
Referencia:
Alonso EE, Pinyol NM.(2016)
Numerical analysis of rapid
drawdown: Applications in real
cases. Water Sci. Eng. 9(3):175–
82.
Pinyol NM, Alonso EE, Olivella S.
(2008) Rapid drawdown in slopes
and embankments. Water
Resources Research. May
27;44(W00D03):1–22.
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
Análisis del
desembalse
PROBLEMA HIDRO-
MECÁNICO ACOPLADO EN
MEDIO POROSO NO
SATURADO Y
DEFORMABLE
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
Revisión de los métodos de cálculo
311 1 ABu'
1
1 skel
w
BK
nK
Kw = 2100 MPa
K’skel << Kw
B = 1
Métodos de análisis no drenado Skempton (1954), Bishop (1954), Morgenstern (1963), Baker et al.
(1993) y Lane y Griffiths (2000).
Skempton (1954) The pore pressure coefficients A and B. Géotechnique, 4:4:143-147
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
Bishop, A. W. (1954). “The Use of Pore-Pressure Coefficients in Practice”. Géotechnique, 4:4:148-152
Cálculo de la presión de agua después del
desembalse
La tension principal mayor se toma igual al peso de agua por encima del element
wwrrdr hh 1 0 1u u B 1B
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
Bishop, A. W. (1954). “The Use of Pore-Pressure Coefficients in Practice”. Géotechnique, 4:4:148-152
Cálculo de la presión de agua después del
desembalse
La tension principal mayor se toma igual al peso de agua por encima del element
wwrrdr hh 1 0 1u u B 1B
Suelos
impermeables
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS Revisión de los métodos de cálculo
Métodos de flujo
Reinius (1954) y Cedergren (1967), Brahma and Harr (1962), Stephenson (1978),
Desai (1977), Cividini y Gioda (1984), Neumann (1973), Hromadka and Guymon
(1980) y Pauls et al. (1999).
“..seepage occurs through rigid
porous medium, i.e., the soil skeleton
is assumed to be incompressible,
and no pore pressures occur due
to shear deformations”.
Desai, C. S. (1977)
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS Revisión de los métodos de cálculo
Métodos de flujo
Reinius (1954) y Cedergren (1967), Brahma and Harr (1962), Stephenson (1978),
Desai (1977), Cividini y Gioda (1984), Neumann (1973), Hromadka and Guymon
(1980) y Pauls et al. (1999).
“..seepage occurs through rigid
porous medium, i.e., the soil skeleton
is assumed to be incompressible,
and no pore pressures occur due
to shear deformations”.
Desai, C. S. (1977)
Suelos
incompresibles
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
Condiciones iniciales. Depósito lleno. Situación estacionaria.
100 kPa isobars
50 m
K=10-9 m/s
Problema acoplado en medio poroso
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
Presión de poros 100 días después del inicio del vaciado
Condiciones iniciales. Depósito lleno. Situación estacionaria.
100 kPa isobars
50 m
K=10-9 m/s
Problema acoplado en medio poroso
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
Presión de poros 700 días después del inicio del vaciado
Presión de poros 100 días después del inicio del vaciado
Condiciones iniciales. Depósito lleno. Situación estacionaria.
100 kPa isobars
50 m
K=10-9 m/s
Problema acoplado en medio poroso
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS Problemas reales
Material para espaldones
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
Presión de agua bajo la
hipótesis de acoplado,
desacoplado, permeable e
impermeable
HD
HD
wDH
HD
HD
wDH
P2
tdd : Duración del desembalse
Baja permeabilidad desacoplado
Baja permeabilidad
acoplado
Permeable acoplado = desacoplado
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
RAPID DRAWDOWN OF GLEN SHIRA DAM, SCOTLAND
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
Suelo morrénico
• Material bien graduado. Tamaño máximo: 15 cm
• No plástico
• f’ = 35º
• Compactado del lado húmedo. waverage = 15%
• d average: 19.8 kN/m3
• ksat = 1.6 x 10-8 m/s
Escollera
• n = 0.4
• f’ = 45º
• d = 16.7 kN/m3
Paton and Semple (1961)
Suelo morrénico
Escollera
PRESA DE GLEN SHIRA, ESCOCIA
Velocidad
media:
7.2 m/día
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
Hydraulic properties for the analysis of Shira dam
Initial state: s0 = 0.01 MPa and p0* = 0.01 MPa
Symbol Units Type of soil
Moraine Rockfill
I. PERMEABILITY
ksat
m/s 1.6· 10-8 1.0· 10-4
krel - (Sw)3 (Sw)3
II. WATER RETENTION
p0 MPa 0.05 0.01
l - 0.2 0.4
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
Symbol Units Type of soil
Moraine Rockfill
I. ELASTIC BEHAVIOUR
E MPa 100 100
- 0.3 0.3
II. PLASTIC BEHAVIOUR
- 0.02 0.02
r - 0.8 0.8
MPa-1 6.5 6.5
pc MPa 0.01 0.01
M - 1.4 (35º) 1.85 (45º)
ks - 0 0
- 1 1
III. INITIAL STATE FOR DAM MODEL
MPa 0.01 0.01
MPa 0.01 0.01
0l
0s
*
op
Mechanical properties for
the analysis of Shira dam
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
Análisis de desembalse en la presa Shira
1. Análisis de puro flujo en medio saturado/no saturado
2. Análisis acoplado en medio saturado/no saturado de
desembalse total instantáneo. Materiales elásticos.
3. Análisis acoplado en medio saturado/no saturado.
Desembalse real. Materiales elásticos.
4. Análisis acoplado en medio saturado/no saturado.
Desembalse real. Materiales elastoplásticos (BBM)
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
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Days
Wa
ter
pre
ss
ure
. M
ete
rs a
bo
ve
re
fere
nc
e l
ev
el
(m)
Reservoir level
Measured
Coupled elastic
Medidas
Acoplado elástico
Nivel embalse
Presión de poros. Piezómetro 2
Pre
sió
n d
e a
gu
a. M
etr
os p
or
en
cim
a d
el n
ive
l d
e
refe
ren
cia
Días
Desacoplado (puro flujo)
Análisis de flujo del lado
de la inseguridad
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS Presión de poros. Piezómetro 2
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ure
. M
ete
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bo
ve
re
fere
nc
e l
ev
el
(m)
Reservoir level
Instantaneous coupled
Measured
Coupled elastic
Uncoupled (pure flow)
Coupled elasto - plastic
Desacoplado (puro flujo)
Acoplado elasto-plástico
Acoplado elástico
Nivel embalse
Acoplado, instantáneo
Medidas
Pre
sió
n d
e a
gu
a. M
etr
os p
or
en
cim
a d
el n
ive
l d
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refe
ren
cia
Días
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS Presión de poros. Piezómetro 3
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pre
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. M
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bo
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nc
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el
(m)
Reservoir level
Measured
Coupled elasticCoupled elastic
Reservoir level
Desacoplado (puro flujo)
Medidas
Acoplado elástico
Pre
sió
n d
e a
gu
a. M
etr
os p
or
en
cim
a d
el n
ive
l d
e r
efe
rencia
Días
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
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Days
Wa
ter
pre
ss
ure
. M
ete
rs a
bo
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re
fere
nc
e l
ev
el
(m)
Reservoir level
Instantaneous coupled
Measured
Coupled elastic
Uncoupled (pure flow)
Coupled elasto - plastic
Acoplado instantáneo
Medidas
Desacoplado (puro
flujo)
Acoplado elasto-plástico
Acoplado elástico
Nivel de embalse Pre
sió
n d
e a
gu
a. M
etr
os p
or
en
cim
a d
el n
ive
l d
e
refe
ren
cia
Días
Presión de poros. Piezómetro 3
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
CONCLUSIONES
La presión de agua después de un desembalse rápido depende de:
- la permeabilidad (saturada y no saturada).
- la capacidad de retener agua
- el comportamiento mecánico (tensión-deformación).
- la velocidad de desembalse
- las condiciones de contorno geométricas
La adecuada consideración de estos aspectos es posible si se introduce el
comportamiento hidro-mecánico acoplado en condiciones saturadas y no
saturadas.
Los procedimientos simplificados pueden ser adecuados en casos extremos.
Es difícil estimar a priori si estos procedimientos simplificados ofrecen una solución
próxima a la real y si están o no del lado de la seguridad.
JORNADA SOBRE MODELACIÓN NUMÉRICA EN INGENIERÍA DE PRESAS
Núria M. Pinyol
nuria.pinyol@upc.edu
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